(57)【要約】 【課題】  高感度で低コストの加速度センサを提供することにある。【解決手段】  衝撃や振動の加速度を検出する加速度センサにおいて、圧電素子は、圧電セラミックス矩形板１と絶縁板２、または、圧電セラミックス矩形板１と表面を絶縁した金属板８との接着体で、圧電セラミックス矩形板１の表面に、長さ方向が検出加速度方向に直交し、分極と加速度検出兼用の、対向する二本の帯状電極３、４を有する加速度センサ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に加わる応力から圧電効果で生じる電圧を計測することで、衝撃や振動の加速度を検出する加速度センサにおいて、前記圧電素子は、圧電セラミックス矩形板と絶縁板、または、圧電セラミックス矩形板と表面を絶縁した金属板との接着体で、前記圧電セラミックス矩形板の表面に、長さ方向が検出加速度方向に直交し、分極と加速度検出兼用の、対向する二本の帯状電極を有することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記対向する二本の帯状電極は、前記圧電セラミックス矩形板の同一の外形面上にあることを特徴とする、請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記対向する二本の帯状電極は、それぞれ前記圧電セラミックス矩形板の異なる外形面上にあることを特徴とする、請求項１記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックスの圧電効果を利用し電圧を計測することで衝撃や振動の加速度を検知する加速度センサに関し、特に加速度センサに用いるのに好適な圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサ用圧電素子は、加速度を受けたときに圧電素子がたわむことで内部に歪みを生じ、その歪みにより圧電効果で発生する電荷を利用して衝撃や振動の加速度のセンシングを行うものであり、所望の加速度によりたわみを生じさせるために、圧電セラミックス薄板状を検出したい加速度方向と垂直に配したものが一般的である。
【０００３】
加速度センサに用いられる圧電素子の構造を図３に示した。この圧電素子は、圧電セラミックス矩形板１にアルミニウム、しんちゅう等の金属板１０が接着剤により接合された構造になっている。圧電セラミックス矩形板１は、金属板１０との接合面に当たる面に電極１１が形成されており、対向面にも電極１２が形成され、予め電極１１，１２間に所望の電圧を印加して、圧電セラミックの電気双極子が圧電セラミックス矩形板１の厚み方向１３に揃うように、分極と呼ばれる処理がされている。金属板１０は圧電セラミックス矩形板１の電極１１とは接合面を介して電気的に接続しており、金属板１０にリード線１４が、電極１２にもリード線１５が、それぞれはんだ付け等の電気的接続を保った方法で接合されている。リード線１４，１５は図示しないが、増幅回路やフィルター回路等の電気的信号処理回路に接続され、加速度センサとして機能する。
【０００４】
この種の加速度センサは、以下の原理に基づき動作する。圧電素子に厚み方向の加速度が加わると、たわみを生じ、この時の厚み方向の応力分布は、圧電セラミックス矩形板と金属板の複合梁として考えることができる。金属板と圧電セラミックス矩形板のヤング率Ｅと、振動部分の厚み方向にｙ軸をとり、断面積Ａとすると、振動部分の厚み方向の図心は、数１で表される。
【０００５】
【数１】
2005265421.tif 000003
【０００６】
通常、金属板は、圧電セラミックス矩形板より薄いので、図心は圧電セラミックス矩形板側になる。また、この断面が受ける応力は数２で表される。ここで、Ｉは断面二次モーメント、Ｍはモーメントの値である。
【０００７】
【数２】
2005265421.tif 000004
【０００８】
モーメントＭを一定とした時、この圧電素子の断面と曲げ応力分布を図５に示す。図５に示したように、曲げ応力分布は、圧電セラミックス矩形板内に図心１７を持ち、加速度方向に直行し、厚み方向で表面に近い程、大きくなる。圧電定数ｄを持つ圧電セラミックス矩形板が応力σを受けたときに発生する電荷Ｑは、次式（１）により表すことができる。ここでは、分極方向１３に対して応力方向１８が直交しているので、圧電定数ｄは圧電横効果の値ｄ３１を用いる。
【０００９】
Ｑ＝ｄσ     ・・・・・・・（１）
【００１０】
図５より単位断面積ｄＡあたりに発生する電荷の厚み方向の総和が発生電荷Ｑとなるが、計測されるのは電圧Ｖであり、電圧Ｖは、次式（２）により表すことが出来る。ここで、Ｃは圧電素子の静電容量である。
【００１１】
Ｖ＝Ｑ／Ｃ    ・・・・・・・（２）
【００１２】
図５の応力分布より、発生する電荷の向きは圧電素子内部で一部分が逆方向となり、互いにうち消し合うため、観測される電圧が低下し、センサの感度が悪くなるという問題点がある。
【００１３】
この問題点を解決し、図心を厚み方向の真中にしたバイモルフ構造の圧電素子と断面における曲げ応力分布を図６に示した。図６に示したように、金属板２５を中心として、その両面に互いに分極の向きが逆になるよう接合された２枚の圧電セラミックス矩形板２６、２７を有する構造の圧電素子であり、この場合、図心は金属板２５の中心になり、上下で逆向きの応力分布となるため圧電素子の分極方向をあらかじめ逆にしておくことにより、発生電荷をうち消し合うことなく、電圧として検出することが可能である（例えば、特許文献１参照）。しかし、この構造では、静電容量Ｃが２倍となり、式（２）から、発生電圧は圧電セラミックス矩形板が１枚の場合と同じになる。
【００１４】
また、加速度に対するセンサの感度向上のためには、圧電素子の厚さを薄くすることが効果的であるが、それは圧電セラミックス矩形板の板厚を薄くすることになる。圧電素子の静電容量は、厚さに反比例するので、圧電セラミックス矩形板を薄板化すると静電容量が大きくなり、式（２）から検出される電圧が小さくなり、加速度センサの感度が低下するという問題点があった。
【００１５】
更に、図６の構造のようなバイモルフ構造の場合、圧電セラミックス矩形板が２枚必要で、製造コストの上昇を招くという問題点と、貼り合わせの位置精度から感度にバラツキを生じ、この精度を高めることが製造コストの上昇を招くという問題点がある。
【００１６】
【特許文献１】特開平５−８００６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、前記問題点を解決し、高感度で低コストの加速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、  圧電素子に加わる応力から圧電効果で生じる電圧を計測することで、衝撃や振動の加速度を検出する加速度センサにおいて、前記圧電素子は、圧電セラミックス矩形板と絶縁板、または、圧電セラミックス矩形板と表面を絶縁した金属板との接着体で、圧電セラミックス矩形板の表面に、長さ方向が検出加速度方向に直交し、分極と加速度検出兼用の、対向する二本の帯状電極を有する加速度センサが得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記対向する二本の帯状電極は、前記圧電セラミックス矩形板の同一の外形面上にある加速度センサが得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記対向する二本の帯状電極は、それぞれ前記圧電セラミックス矩形板の異なる外形面上にある加速度センサが得られる。
【発明の効果】
【００２１】
加速度方向に対し垂直な面内方向に分極することにより、加速度で発生する曲げの応力方向が分極方向と同じになり、式（１）で説明した応力に対する発生電荷量を表す圧電定数ｄが、従来の圧電横効果のｄ３１ではなく、ｄ３１より約２倍大きな圧電縦効果のｄ３３を適用することができ、同じ歪み量に対して発生電荷量が大きくなる。また、矩形板の厚さより、帯状電極間距離が大きくなるので、静電容量Ｃが小さくなり、式（２）の発生電圧は、同寸法の従来構造の圧電素子に比し大きくなり、加速度センサの高感度化が可能である。
【００２２】
以上、本発明によれば、従来に比べ高感度で低コストの加速度センサを得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、圧電セラミックス矩形板の同一外形面上に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す。図１に示したように、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの圧電セラミックス矩形板１の片面表面上に両端から１ｍｍの部分に銀ペーストの焼き付けで、対向する幅１ｍｍ、長さ５ｍｍの帯状電極３，４を形成した。次に、帯状電極３，４に電気的に接続する治具で圧電セラミックス矩形板１を保持し、１００℃の絶縁油中で帯状電極３、４間に１２ｋＶの直流電圧を印加し、圧電セラミックス矩形板１を矢印５で示した方向に分極した。分極後の圧電セラミックス矩形板１に長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．２ｍｍのジルコニア製の絶縁板２をエポキシ系接着剤で接着し、加速度センサ用の圧電素子（試料１）を試作した。
【００２５】
図２は、圧電セラミックス矩形板の異なる外形面上に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す。図２（ａ）は、圧電セラミックス矩形板の表面端部と側面に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子、図２（ｂ）は、圧電セラミックス矩形板の表面端部と対抗面端部に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子をそれぞれ示す。
【００２６】
図２（ａ）に示したように、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの圧電セラミックス矩形板１の片面表面上に端から１ｍｍの部分と、対向する辺に直交する側面に、銀ペーストの焼き付けで、対向する幅０．５ｍｍ、長さ５ｍｍの帯状電極３と７を形成した。次に、帯状電極３と７に電気的に接続する治具で圧電セラミックス矩形板を保持し、１００℃の絶縁油中で帯状電極３、７間に１２ｋＶの直流電圧を印加し、圧電セラミックス矩形板１を分極した。分極方向５を矢印で示した。分極後の圧電セラミックス矩形板１に、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．２ｍｍで表面を５０μｍ厚さに樹脂コートし、絶縁処理したステンレス板８をエポキシ系接着剤で接着し、加速度センサ用の圧電素子（試料２）を試作した。
【００２７】
また、図２（ｂ）に示したように、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの圧電セラミックス矩形板１の片面表面上に端から１ｍｍの部分と、対向する面の反対側に、銀ペーストの焼き付けで、対向する幅１ｍｍ、長さ５ｍｍの帯状電極３と９を形成し、更に帯状電極９に接続する引き出し電極９′を圧電セラミックス矩形板側面に形成した。次に、帯状電極３と９に電気的に接続する治具で圧電セラミックス矩形板を保持し、１００℃の絶縁油中で帯状電極３、９間に１２ｋＶの直流電圧を印加し、圧電セラミックス矩形板１を矢印５で示した方向に分極した。分極後の圧電セラミックス矩形板１に長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．２ｍｍの表面を５０μｍ厚さに樹脂コートし、絶縁処理したステンレス板８をエポキシ系接着剤で接着し、加速度センサ用の圧電素子（試料３）を試作した。
【００２８】
更に、比較のために、図３に示した従来構造の加速度センサ用の圧電素子を試作した。長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの圧電セラミックス矩形板１の表裏面に銀ペーストの焼き付けで電極１１、１２を形成し、１００℃の油中で電極１１、１２間に７５０Ｖの直流電圧を印加して圧電セラミックス矩形板１を圧電セラミックス矩形板の厚み方向１３に分極した。分極後、圧電セラミックス矩形板１に厚み０．２ｍｍのステンレス板をエポキシ接着剤で接着し、従来構造の加速度センサ用の圧電素子（試料４）を試作した。
【００２９】
各々の試作した圧電素子は、帯状電極と引き出し電極に振動負荷とならないよう直径２０μｍの電線を半田付けしてリード線とし、１０ＭΩの抵抗を負荷抵抗とするＦＥＴを用いた増幅回路で出力電圧を４０ｄＢ増幅する信号処理回路に接続した。圧電素子を加振機に固定し、発信器からの信号を増幅して加振機を駆動することで圧電素子に加速度を与え、２ｋＨｚから１０ｋＨｚの範囲で加速度５０ｍ／Ｓ2の振動を加え、加速度センサとしての出力電圧の周波数特性を測定した。
【００３０】
図４に、出力電圧の周波数特性の測定結果を示す。図４の試料１、試料２、試料３が本発明の実施の形態による構造であり、試料４は比較例として同寸法の圧電セラミックに従来構造の電極を形成したものである。図４から明らかに、本発明による圧電素子構造では従来構造と比較し、加速度センサの電圧感度が１０倍以上高感度になっている。これは圧電縦効果による圧電定数ｄ３３の適用効果と同時に、圧電素子の静電容量が小さくなったことによる効果である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】圧電セラミックス矩形板の同一平面上に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す図。
【図２】圧電セラミックス矩形板の異なる平面上に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す図。図２（ａ）は圧電セラミックス矩形板の表面端部と側面に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す図、図２（ｂ）は圧電セラミックス矩形板の表面端部と対抗面端部に、対向する二本の帯状電極を形成した圧電素子を示す図。
【図３】従来構造の加速度センサ用の圧電素子を示す図。
【図４】出力電圧の周波数特性の測定結果を示す図。
【図５】圧電素子の断面と曲げ応力分布を示す図。
【図６】バイモルフ構造の圧電素子と断面における曲げ応力分布を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１    圧電セラミックス矩形板
２    絶縁板
３，４，７，９    帯状電極
９′  引き出し電極
５    分極方向
８    表面を５０μｍ厚さに樹脂コートしたステンレス板
１０    金属板
１１，１２    電極
１３    圧電セラミックス矩形板の厚み方向（分極方向）
１４，１５    リード線
１７    図心
１８    応力方向
２０，２１    分極方向
２５    金属板
２６，２７    圧電セラミックス矩形板
２８    応力方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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